华北克拉通重力剖面重力点位GPS测量精度分析

张建军

摘 要：中国地震局地球物理勘探中心承担了某项目重力点位GPS测量任务。该文详细论述了该测量任务的过程，包括踏勘选点、前期准备、测量方法、测量过程和数据转换，最后进行了精度评价，结果表明测量精度符合要求。

关键词：华北 克拉通 重力点位 GPS测量

中图分类号：P21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0032-02

1 项目概况

此项目属于自然科学基金项目《华北克拉通三维速度、密度结构及动力学意义》的组成部分。该项目重力剖面西起陕西，东至山东，即陕西宜川—山西临汾—山西长治—河南安阳—山东阳谷—山东泰安，全长615 km，跨越华北盆地、太行山重力梯级带、山西断陷盆地以及鄂尔多斯地块东缘等地质构造单元。

该项目重力剖面作业区属于中国华北地区，地形地貌复杂，以山地、平原等为主，地形复杂，植被稠密，居民地较多。作业区域内大部分道路为省道，伴随部分国道和乡间道路。中国地震局地球物理勘探中心承担了该项目重力点位GPS测量任务。设计线路如图1所示。

2 作业依据

（1）《全球定位系统实时动态（GPS）测量技术规范》CH/T 2009-2010。

（2）《卫星定位城市测量技术规程》CJJ/T 18314-2001。

（3）《区域重力调查规范》DZ/T 0082-2006。

（4）《华北克拉通三维速度、密度结构及动力学意义》之重力剖面、GPS观测实施方案。

3 测量内容和完成工作量

3.1 测量内容

重力剖面西起陕西宜川，经山西临汾、山西长治、河南安阳、山东阳谷，东至山东泰安，全长615 km，测量内容为该重力剖面重力点位GPS观测，观测点距为2.5 km，在太行山重力梯级带（长治-安阳）点距为1.0 km。观测线路如图2所示。

3.2 完成工作量

2013年11月23开始野外测量工作，到2013年12月28日外业结束，历时36 d。共完成350个重力点位测量任务。同时对沿线原有的14个重力点进行了测量。并对每个点位0～10 m、10～20 m、20～50 m范围8个方向进行了近区地形改正。

4 坐标系统和使用仪器

4.1 坐标系统

点位成果为北京54坐标系大地坐标和平面直角坐标6°带，中央子午线为111°和117°，高程为1985国家高程基准。

4.2 使用仪器

此次任务使用一台Trimble R8-4 GNSS接收机，并经过专门的仪器检定机构检定合格后使用。网络RTK测量的标称精度为：平面8 mm+0.5 ppm，高程15 mm+0.5 ppm。

5 作业过程

5.1 踏勘和选点

事先根据工作比例尺，工区地质构造特点、地形和交通等条件在所用地形图、航空照片上布设，野外工作时根据实地情况进行调整点位，现场勘选。沿重力剖面自西向东选取符合要求的重力点，每点水泥或柏油地面直接用红漆作记号，土质地面用木桩作标记，标明编号，编号从101到447，便于以后观测，同时配备点位选点工作照片，做好每个点的点之记。

5.2 前期准备

准备仪器和车辆，工作人员认真检查仪器，确保野外正常使用，并熟练操作仪器，熟悉相关规范要求。驾驶员严格检查车辆，排除各种安全隐患，确保出行安全。提前联系陕西、山西、河南、山东等地CORS中心，按照要求准备入网资料。

5.3 测量方法

重力剖面途径四省，地形地貌复杂。如果用以往的GPS-RTK测量，需架设基准站，剖面距离长有600多公里，点距大2.5 km和1 km，而电台反射距离为10 km，每隔20多公里就需架设基准站，且山区地形起伏较大，很难到达山顶，GPS信号不好。架设一站只能观测七八个点，耗费时间且精度不高。目前各省都建立了覆盖全省的连续运行参考站系统（CORS），CORS是利用GNSS建立连续运行参考站，构建网络GPS-RTK，共享参考站数据，实时向用户自动发布卫星定位数据，不需自己架设基站，精度均匀、快速定位。这样就解决了长距离、大规模实时定位问题，提高了定位精度，减少了初始化时间。根据该项目距离长、地形复杂、山区落差大、植被稠密、居民地较多等特点，加入各省CORS系统，采用网络RTK测量方法进行野外测量工作。

5.4 测量过程

野外测量从西向东开始，西起陕西宜川，经山西、河南、山东，最后到达山东泰安结束。观测时首先找到标志点，等待仪器初始化获得固定解后，再进行测量。按照编号顺序进行，同时观测剖面附近原有的重力点。对每个重力点进行0～10 m、10～20 m、20～50 m范围8个方向的近区地形改正，为保证精度，由有经验的人员采用目估方法确定地改值。拍摄每个点位GPS测量时的照片。

5.5 数据转换

RTK测量直接得到的是WGS-84坐标经、纬度和大地高，需进行坐标数据转换，将WGS-84坐标数据转换成北京54坐标系统和1985国家高程基准成果。

首先将WGS-84坐标经、纬度和大地高转换成空间直角坐标（X，Y，Z）。

转换公式为：

式中，为长半轴；为短半轴。

然后将WGS-84空间直角坐标转换成北京54直角坐标。选择适当的具有一定密度且分布均匀的重合点，利用所选重合点的两种坐标系的坐标，至少选取3个以上重合点，采用Bursa七参数转换模型，计算两坐标系之间的坐标转换参数再将转换参数带回坐标转换模型求得非重合点在所求坐标系的坐标。

转换公式为：

转换参数：3个平移参数（单位为米）和3个旋转参数（单位为弧度）及1个尺度参数m（无单位）。

6 测量精度评价

连续运行参考站系统是在一个较大的范围内均匀稀松地布设参考站，利用参考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后对区域内流动用户站观测数据的系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果，网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。

该项目在每个点观测时初始化均符合下列条件：PDOP值≤6，卫星高度截止角≥15°，有效地观测卫星数≥6颗。所有的观测均在RTK固定解稳定收敛后进行。执行“首次固定不记录，二次固定再记录”；每点观测一个测回，每次至少采集数据15个历元。所有点点位误差、平面误差<0.2 m，高程误差<0.3 m，均满足规范要求。

参考文献

[1] 祝意青，梁伟锋，湛飞并，等.中国大陆重力场动态变化研究[J].地球物理学报，2012（3）：804-813.

[2] 李辉，徐如刚，申重阳，等.大华北地震动态重力監测网分形特征研究[J].大地测量与地球动力学，2010（5）：15-18.

[3] 祝意青，郭树松，刘芳.攀枝花6.1、姚安6.0级地震前后区域重力场变化[J].大地测量与地球动力学，2010（4）：8-11.

[4] 郭良迁，占伟，杨国华，等.山西断陷带的近期位移和应变率特征[J].大地测量与地球动力学，2010（4）：36-42.